Un viaggio verso il mare, supportato sia dalla NASA che dalla National Science Foundation, salpò nell'Atlantico settentrionale all'inizio di maggio, il seguito di una spedizione complementare, cofinanziato da NSF, che ha avuto luogo nel nord del Pacifico nel 2018.

Il dispiegamento del 2021 della campagna sul campo oceanografico della NASA, chiamati processi di esportazione nell'oceano dal telerilevamento (EXPORTS), è composto da 150 scienziati e membri dell'equipaggio provenienti da più di 30 enti governativi, università e istituzioni private non governative. Il team è distribuito su tre navi di ricerca oceanografica, che si incontreranno nelle acque internazionali ad ovest dell'Irlanda sulla pianura sottomarina dell'Abisso di Porcupine. Durante la campagna sul campo, gli scienziati dispiegheranno una varietà di strumenti a bordo delle tre navi:la RRS James Cook e la RRS Discovery, gestito dal National Oceanography Centre di Southampton, UK, più una terza nave noleggiata dal progetto Ocean Twilight Zone della Woods Hole Oceanographic Institution e gestita dalla Marine Technology Unit di Vigo, Spagna. Un totale di 52 piattaforme ad alta tecnologia, tra cui diversi veicoli autonomi, prenderà misure e raccoglierà continuamente dati.

Gran parte della scienza si concentra sul ruolo dell'oceano nel ciclo globale del carbonio. Attraverso processi chimici e biologici, l'oceano rimuove tanto carbonio dall'atmosfera quanto tutta la vita vegetale sulla terraferma. Gli scienziati sperano di esplorare ulteriormente i meccanismi della pompa biologica dell'oceano, il processo mediante il quale il carbonio dall'atmosfera e dall'oceano di superficie viene sequestrato a lungo termine nelle profondità dell'oceano. Questo processo coinvolge organismi microscopici simili a piante chiamati fitoplancton, che subiscono la fotosintesi proprio come le piante sulla terraferma e possono essere viste dallo spazio osservando i cambiamenti nel colore dell'oceano. La loro produttività ha un impatto significativo sul ciclo del carbonio terrestre, che poi a sua volta influenza il clima della Terra.

"Questo è il primo studio completo sulla pompa biologica del carbonio dell'oceano dallo studio Joint Global Ocean Flux negli anni '80 e '90, " ha affermato il responsabile scientifico di EXPORTS David Siegel dell'Università della California, Santa Barbara. "Nel frattempo, abbiamo ottenuto strumenti avanzati di imaging microscopico, genomica, robusti sensori chimici e ottici e robot autonomi:un mucchio di cose che non avevamo allora, quindi possiamo porre domande molto più difficili e molto più importanti." Queste domande includono quanto carbonio organico sta lasciando la superficie dell'oceano, e quale percorso prende mentre si fa strada verso il profondo dove può essere sequestrato per lunghi periodi di tempo, da decenni a migliaia di anni.

Gli scienziati conoscono tre percorsi principali che trasportano il carbonio dall'atmosfera e dall'oceano superiore alla "zona crepuscolare" oscura che si trova 1, 640 piedi (500 m) o più sotto la superficie:1) la miscelazione e la circolazione fisica dell'oceano possono trasportare la materia organica sospesa in profondità nell'interno dell'oceano, 2) le particelle possono affondare per gravità, spesso dopo aver attraversato le viscere degli organismi, e 3) le migrazioni verticali quotidiane di animali che si spostano tra i livelli oceanici superiori e inferiori portano carbonio durante il viaggio.

EXPORTS mira a determinare la quantità di carbonio trasportata da ciascuno di questi percorsi osservando la pompa del carbonio in due ecosistemi oceanici molto diversi con condizioni variabili. I ricercatori hanno scelto il Pacifico settentrionale e l'Atlantico settentrionale perché si trovano agli estremi opposti dello spettro di produttività (cioè i tassi di fotosintesi) e sperimentano due estremi opposti di processi fisici come vortici e correnti. Lo studio di ambienti contrastanti fornirà la massima comprensione per la modellazione di scenari climatici futuri.

Secondo Ivona Cetinic, scienziato del progetto e oceanografo presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, il Pacifico settentrionale è simile a un deserto oa un "semplice prato" sulla terraferma. È povero di sostanze nutritive, in questo caso il ferro necessario per la fotosintesi, ed esperienze tra le poche correnti vorticose trovate negli oceani globali. Perciò, il trasporto del carbonio nelle profondità oceaniche è principalmente guidato da minuscoli animali, chiamato zooplancton, consumando fitoplancton microscopico simile a una pianta e quindi espellendo il carbonio digerito nelle profondità sottostanti.

Deriva di fitoplancton nella parte superiore, strato illuminato dal sole dell'oceano dove possono convertire l'anidride carbonica che proviene dall'atmosfera in carbonio organico. Quando le condizioni sono giuste, come spesso accade nella regione del Nord Atlantico in questo periodo dell'anno, le popolazioni di fitoplancton crescono o "sbocciano" così rapidamente da poter essere viste dallo spazio.

L'Atlantico settentrionale presenta anche forti correnti che contrastano con le acque più lente del Pacifico settentrionale. Insieme a quelli, Siegel dice che prevedono almeno quattro giorni di maltempo durante la spedizione di un mese.

Ma i dati di EXPORTS non si applicano solo al mare, ma verranno utilizzati anche per migliorare la tecnologia satellitare. Cetinić lavora con diverse misurazioni ottiche che provengono da satelliti color oceano, che misurano la luce riflessa dalla superficie dell'oceano in parti dello spettro visibile, quelli che conosciamo come i colori dell'arcobaleno. Questi forniscono approfondimenti come misurazioni della temperatura dell'oceano, salinità, carbonio e le concentrazioni di un pigmento verde chiamato clorofilla. Però, le diverse specie di fitoplancton che occupano parti diverse dell'ecosistema e del ciclo del carbonio producono quantità e sfumature diverse di clorofilla verde, creando sfumature nel colore dell'oceano che gli attuali satelliti color dell'oceano non possono "vedere".

Tra le strumentazioni impiegate durante le ESPORTAZIONI sono altamente raffinate, e in alcuni casi sperimentale, strumenti ottici per misurare il colore dell'oceano che sono simili agli strumenti che saranno a bordo dei futuri satelliti della NASA. I ricercatori combineranno queste misurazioni di simulazione satellitare con le osservazioni dettagliate della comunità di fitoplancton di superficie, attraverso la genomica, analisi dell'immagine o composizione dei pigmenti, nonché conoscenza della loro fisiologia per consentire ai satelliti di rilevare la diversità oceanica e, in definitiva, il loro ruolo nel ciclo del carbonio oceanico.

La prossima generazione di questi satelliti, Plancton della NASA, Aerosol, Nube, missione Ecosistema oceanico (PACE), sarà iperspettrale, il che significa che sarà in grado di raccogliere dati su tutto lo spettro visibile, e acquisire informazioni oltre la parte visibile, compreso l'ultravioletto e l'infrarosso a onde corte.

"Ciò che vediamo mentre siamo a terra ci dà una comprensione di quale tipo di informazioni avremo bisogno di vedere dallo spazio per catturare quei processi critici che vogliamo essere in grado di comprendere meglio, " Cetinić ha detto. "Questo guida lo sviluppo della tecnologia spaziale. In cambio, i dati provenienti dai nuovi satelliti di osservazione della Terra consentono agli scienziati, come quelli che partecipano alle ESPORTAZIONI, andare a cercare altre informazioni cruciali o sviluppare nuove tecniche per completare le attuali, o addirittura ispirare un nuovo, Satellite di osservazione della Terra. Questa interazione perpetua di tecnologia e scienza, alla fine avvantaggia l'intera umanità."

Dopo la campagna di lavoro sul campo, un'ulteriore fase di EXPORTS si concentrerà sull'utilizzo dei dati raccolti dall'Atlantico e dal Pacifico per prevedere come potrebbero essere i percorsi di trasporto del carbonio negli oceani futuri.

"Ciò che sappiamo attualmente è limitato a ciò che sta accadendo oggi negli oceani, " ha detto Siegel. "Con i continui cambiamenti causati dal clima, visto non solo nell'oceano ma attraverso i sistemi terrestri, dobbiamo essere in grado di prevedere cosa accadrà nel 2075, e non abbiamo ancora quella comprensione predittiva."

Poiché così tante caratteristiche di una singola fetta di oceano verranno misurate contemporaneamente, i modelli informatici esistenti avranno un set di dati ricco e più completo che raffigura la pompa del carbonio su cui basare le proiezioni di ciò che potrebbe accadere nel prossimo futuro nelle profondità dell'oceano e quali potrebbero essere gli impatti sul ciclo del carbonio.

"È un set di dati così buono che alimenterà la ricerca per i decenni a venire, ", ha detto Cetinic.

Sia PACE che EXPORTS hanno subito ritardi a causa della pandemia di COVID-19. Ora, per garantire la sicurezza e la protezione di ogni individuo coinvolto, è stata necessaria una quarantena di due settimane prima che la navigazione e i protocolli di distanziamento sociale fossero adottati per la prima settimana a bordo delle navi. Siegel afferma che la diversità e la dedizione dei membri del team, l'impareggiabile supporto del National Oceanography Center del Regno Unito per garantire che le navi e l'equipaggio siano pronti e sicuri per la navigazione, il costante impegno del quartier generale della NASA, e una grande fortuna è la ragione per cui la campagna è ancora in grado di andare avanti quest'anno.